Gases contaminantes

En este apartado se analizarán las características de los principales gases contaminantes:

Tabla 10.3. Principales contaminantes, características y consecuencias.

Contaminante Características Consecuencias

Dióxido de carbono (CO2)

Incoloro e inodoro. Más pesado que el aire. Generado por la propia combustión.

No tóxico pero sustituye al oxígeno y reduce su proporción. Principal responsable del efecto invernadero por el volumen generado.

Monóxido de carbono (CO)

Incoloro e inodoro. Más pesado que el aire. Generado por las combustiones incompletas.

Tóxico: Aminora la oxigenación de la sangre y agrava la insuficiencia cardíaca. En grandes dosis puede provocar problemas sensoriales. En un 0,3% de volumen en el aire, es mortal tras inhalación durante 30 minutos.

Hidrocarburos (HC) Conjunto de productos emitidos por la combustión incompleta.

Algunos pueden contribuir a la formación de ozono.

Algunos son sospechosos de ser cancerígenos.

Óxidos de nitrógeno (NOx)

Incoloro e inodoro.

Generados por la reacción del oxígeno y del nitrógeno del aire del motor bajo el efecto de la temperatura.

Tóxico: en particular el NO2.

Produce problemas respiratorios, tos y dolores de cabeza.

Partículas Constituidos por partículas de carbono e hidrocarburos.

Sospechoso de ser cancerígenos.

Óxidos de azufre (SOx) Emitidos en la combustión de combustibles sólidos y fuelóleos.

Problemas respiratorios. Olores.

Participan en la formación del smog (smoke+fog) y de la lluvia ácida.

10.2.1. Monóxido de carbono (CO):

Es un gas tóxico, incoloro e inodoro, un 3% más pesado que el aire. Al ser inhalado se combina con la hemoglobina de la sangre, impidiendo la absorción de oxígeno y produciendo asfixia.

El monóxido de carbono se forma al quemar carbono o sustancias compuestas de carbono con una cantidad insuficiente de aire. Una cantidad de 1/100.000 de monóxido de carbono en el aire puede llegar a provocar síntomas de envenenamiento

minutos. El monóxido de carbono es el principal componente del aire contaminado en las áreas urbanas.

Se trata de un producto intermedio en la combustión de un hidrocarburo como consecuencia de unas condiciones de presión y temperatura elevadas en la cámara de combustión, conjuntamente con una deficiencia de oxígeno que impide completar la oxidación del CO a CO2. Es decir, la generación de CO se produce en un paso previo a la creación de CO2, por lo tanto primero se genera todo el CO y a continuación el CO2 que sea posible según la cantidad de O2 disponible.

Por un lado provoca la destrucción del ozono estratosférico2 lo que conlleva riesgos para la salud (asociados a la radiación ultravioleta) y puede producir alteraciones en la fauna y flora. Por otro lado, provoca la formación de ozono troposférico3, lo que contribuye al efecto invernadero alterando la calidad de la atmósfera y de los ecosistemas.

10.2.2. Dióxido de carbono (CO2):

El Dióxido de Carbono es un gas incoloro, inodoro y de sabor agrio que tiende a depositarse en las zonas bajas por ser más pesado que el aire (tiene una densidad de 1,98 kg/m3). Al ser un gas no combustible posee un poder antidetonante muy elevado. No es un gas tóxico, pero al reducir la proporción de oxígeno en el aire se convierte en un elemento perjudicial para la salud.

Es el principal responsable del efecto invernadero por la cantidad de CO2 que se genera. Sucede que la radiación proveniente del sol (incluida la radiación ultravioleta) traspasa sin problemas la atmosfera. Como ya se ha comentado, el ozono es capaz de absorber la radiación ultravioleta, con lo que la destrucción del ozono estratosférico conlleva un aumento del agujero de la capa de ozono. Por lo tanto, la radiación ultravioleta puede atravesar la atmosfera e irradiar sobre la superficie terrestre. Pero además la presencia del CO2 junto al vapor de agua hace que la radiación proveniente de la tierra se vea absorbida por estos compuestos. El resultado de este fenómeno comporta un aumento de la temperatura en la superficie terrestre, lo que se conoce como calentamiento global.

Las emisiones de CO2 están reguladas con una serie de normativas que limitan su emisión. El Protocolo de Kyoto tiene como objetivo reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 8% durante el periodo 2008-2012 en relación a los niveles de emisiones emitidas en el año 1990.

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2

Estratosfera: capa de la atmósfera situada inmediatamente superior a la troposfera. Comprendida entre los 9/18 km. y 50 km. de altitud.

3

10.2.3. Hidrocarburos (HC):

Se engloban bajo este concepto, además de los hidrocarburos no quemados, aquellos que solo lo están parcialmente y los producidos por cracking térmico. Los efectos más nocivos se reflejan en que algunos de ellos son cancerígenos y en la participación en la formación de niebla fotoquímica.

Los factores que inciden en su presencia pueden deberse a una combustión incompleta, o a un cortocircuito de la carga fresca, o bien, por aparecer situaciones de mezcla fuera de los límites de inflamabilidad.

La emisión de HC sin quemar o parcialmente quemados es consecuencia de que el tiempo de residencia de los HC en la cámara de combustión es menor que su tiempo de oxidación completa. Los hidrocarburos saldrán al exterior condensados en el seno de los gases de combustión, provocando el característico humo azul (HC sin quemar) o blanco (HC parcialmente oxidados) de las condiciones de arranque, ya que en frío la cantidad de hidrocarburos expulsada es mayor debido a las peores condiciones en que se da la combustión.

La emisión de hidrocarburos, en condiciones de funcionamiento en caliente, es debida principalmente a tres procesos que se dan en la cámara de combustión:

- Mezcla pobre del combustible

- Parte del combustible inyectada tarde - Extinción de la llama

En primer lugar, dentro de la cámara de combustión existirá una gran heterogeneidad de mezcla, variando ampliamente el dosado de un punto a otro de la cámara. El combustible que se haya mezclado fuera de los límites de inflamabilidad, tanto en exceso como en defecto, no arderá inicialmente.

No obstante, aquel combustible que está mezclado con dosados ricos será susceptible de combinarse con el oxígeno contenido en la cámara quemándose durante la tercera fase de combustión. Por su parte, el combustible que inicialmente se mezcla con mezclas excesivamente pobres, dosado puntual menor que 0,3, no arderá, siendo expulsado al exterior junto con los gases de escape.

En segundo lugar, en motores rotativos de encendido por compresión (MREC), puede ocurrir que una parte del combustible sea inyectada tarde en la cámara de combustión. Esto es debido a que el pequeño receptáculo situado en la punta de la tobera delante del asiento de la aguja del inyector quedará lleno de combustible una vez finalizada la inyección. El calentamiento provocado durante la combustión evaporará este fuel que entrará lentamente en la cámara y se mezclará lentamente con el aire siendo expulsado antes de quemarse.

Por último, la llama puede apagarse cerca de las paredes de la cámara de combustión debido a que la evacuación de calor en dicha zona es mayor.

En esa zona la temperatura local es menor y por tanto puede desfavorecer la combustión.

La distancia a la que la llama se apagará es función de las condiciones de presión y temperatura en la cámara así como de la evacuación de calor a través de las paredes. Se observa que un incremento de temperatura de 40º a 90º en las paredes de un motor de inyección directa afecta en una reducción del 30% en la emisión de hidrocarburos.

10.2.4. Óxidos de nitrógeno (NOx):

Los más importantes son el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2). El NO es incoloro e inodoro; se produce como consecuencia de temperaturas y presiones elevadas en la cámara de combustión, conjuntamente con una presencia suficiente de oxígeno. La oxidación posterior del NO da lugar al NO2, gas de color pardo rojizo de olor penetrante que provoca irritación importante del sistema respiratorio e incluso, si la concentración es elevada, la destrucción de los tejidos pulmonares.

Las concentraciones elevadas de óxidos de nitrógeno también provocan diversos fenómenos tales como: formación de la niebla fotoquímica como consecuencia de su combinación con hidrocarburos sin quemar bajo condiciones de una fuerte radiación solar, destrucción de la capa de ozono actuando como catalizadores, y su combinación con el vapor de agua atmosférico que da lugar a la formación de ácido nítrico, que posteriormente arrastrado por el agua de la lluvia o depositado por gravedad, se convierte en uno de los componentes de la lluvia ácida.

A igualdad de dosados, la emisión de óxidos de nitrógeno de los MREC es más importante que en los MREP, como consecuencia de la mayor presión y temperatura de trabajo que hace que aumente la tasa de oxidación del N2. No obstante, como en los motores tipo diesel no se llegará nunca a niveles de dosado similares a los MREP, el efecto es compensado teniendo niveles similares de emisión de NOx.

Existen dos fuentes o mecanismos de producción de óxidos de nitrógeno:

- El mecanismo principal es la oxidación del nitrógeno contenido en el aire, debida a las condiciones de elevada temperatura. Los óxidos de nitrógeno se forman en el seno de los gases producto de la combustión como consecuencia de su elevada temperatura y presión. La producción de óxidos de nitrógeno se da durante el pico de presión debido a la combustión rápida. Durante la fase final de la combustión la producción será menor, ya que la disminución de presión limitará las reacciones.

- Otra fuente de nitrógeno, susceptible de ser oxidado, será el propio combustible empleado. En combustibles diesel se usan compuestos nitrogenados como aditivos que disminuyen el tiempo de retraso (como pueden ser el nitrato de amilo).

La emisión de óxidos de nitrógeno se puede limitar mediante:

- Reducción de la temperatura. Se puede llevar a cabo mediante tres

estrategias:

1) Retraso del momento de la inyección. 2) Refrigeración.

3) Recirculación de los gases de escape hacia la admisión (EGR4).

Esto provoca un exceso de gases residuales durante la combustión, lo cual hace que en la combustión la temperatura se reparta entre ellos y disminuyan los niveles de presión y temperatura en la cámara.

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- Adición de urea o amoníaco (NH3) a los gases de escape:

4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3→ 7 N2 + 12 H2O

10.2.5. Partículas:

Los MREC son los principales productores de este tipo de emisiones contaminantes. Las partículas emitidas, que suelen tener un diámetro equivalente de 0.1 a 0.3 nm, se componen de compuestos orgánicos solubles (principalmente hidrocarburos) y de carbón y otros compuestos no solubles.

A cargas elevadas del motor, el porcentaje de carbón es muy elevado debido a la falta de oxígeno en la combustión, mientras que a bajas cargas el porcentaje de compuestos orgánicos es mayor debido a los hidrocarburos que no se han quemado. Los factores que inciden en la formación de partículas son las altas temperaturas y presiones en la cámara de combustión junto con la falta de oxígeno suficiente para la combustión, lo que da lugar a una rotura de la cadena del hidrocarburo y a su deshidrogenación5, con lo que el carbono permanece en forma de partículas sin quemar. Parte de estas partículas, posteriormente se oxidan formando CO2.

Las partículas emitidas pueden ser de dos tipos:

- Partículas secas: formada por pequeñas partículas de carbono, causantes

de los humos negros.

- Partículas húmedas: provenientes de HC sin quemar y combustión de

aceites que se depositan sobre un núcleo de carbono.

Los humos están formados por una suspensión de partículas sólidas de 20 a 30 nm de diámetro que contienen 105 átomos de carbono con una cantidad de átomos de hidrógeno por átomo de carbono de 0,1.

Las partículas se formarán por la deshidrogenación de los hidrocarburos, que componen el combustible, debido a las altas temperaturas y a la falta de oxígeno para quemarlos. Así pues, la carbonilla se formará en zonas con gran cantidad de combustible como puede ser el núcleo de la pulverización (dardo de inyección). La carbonilla formada podrá arder posteriormente al encontrar zonas más ricas en oxígeno.

De este modo, la formación de carbonilla aumentará con el retraso de la inyección, ya que las partículas que se forman tarde no tendrán tiempo a combinarse con el oxígeno presente en la cámara y arder antes de ser expulsadas al exterior.

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10.2.6. Óxidos de azufre (SOx):

Los óxidos de azufre son gases incoloros con un característico irritante olor. En agua se disuelven formando una disolución ácida. Los óxidos de azufre son productos intermedios en la producción del ácido sulfúrico.

Los SOx tienen propiedades desinfectantes, por esto el SO2 fue utilizado durante siglos en la desinfección por ejemplo de las cubas de vino quemando azufre en su interior.

Los SOx son los principales causantes de la lluvia ácida ya que en la atmósfera reaccionan con el vapor de agua formando ácido sulfúrico.

El SOx es liberado en muchos procesos de combustión ya que los combustibles como el carbón, el petróleo, el diesel o el gas natural contienen ciertas cantidades de compuestos azufrados. Por estas razones se intenta eliminar estos compuestos antes de su combustión mediante procesos como la hidrodesulfuración en los derivados del petróleo o con lavados del gas natural.